KR940007281B1 - 광섬유 증폭기 및 이를 이용한 광신호 증폭 방법 - Google Patents

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존 샤우 허버트
제이. 에프. 디고네트 미셸
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더 보드 오브 트러스티스 오브 더 리랜드 스탠포드 쥬니어 유니버시티
닐스 제이. 레이머스
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Abstract

내용 없음.

Description

광섬유 증폭기 및 이를 이용한 광신호 증폭 방법
제1도는 각각의 기부의 소정의 곡률 반경을 갖고 있는 각각의 아치형 홈 내에 장착된 한 쌍의 광섬유 가닥을 도시한 본 발명에서 멀티플렉서로서 사용된 광섬유 결합기의 횡단면도.
제2도 및 제3도는 각각의 선 2-2 및 선 3-3을 따라 절취하여 도시한 제1도의 결합기의 횡단면도.
제4도는 관련된 광섬유의 장착 상태 및 광섬유의 타원형 접촉표면을 나타내기 위해 다른 기부로부터 분리된 제1도의 결합기의 하부 기부를 도시한 사시도.
제5도는 상호 작용 지역에서 중첩된 한 쌍의 광섬유의 미소 지역을 도시한 계략도.
제6도는 최소 광섬유 간격이 4이크론이고, 편기가 0미크론이며, 광섬유 곡율 반경이 25cm인 광섬유 결합기에 대한 상대 결합 전력 대 신호 파장을 도시한 도표.
제7도는 제6도와 유사하지만 광섬유 곡률 반경이 200cm인 경우의 상대 결합 전력 대 신호 파장을 도시한 도표.
제8도는 최소 광섬유 간격이 4미크론이고, 광섬유 반경이 200cm이며 광섬유 편기가 선택가능한 광섬유결합기에 대한 상대 결합 전력 대 신호 파장을 도시한 도표.
제9도는 본 발명의 방향성 증폭기를 도시한 개략도.
제10도는 27℃에서의 ND : YAG의 흡수 스펙트럼을 도시한 도표.
제11도는 ND : YAG와 같은 도프된 물질을 사용하는 4-레벨 레이저의 에너지 레벨을 간략하게 도시한도표.
제12도는 본 발명에 따른 대칭적 쌍방향성 종폭기를 도시한 개략도.
제13도는 폐쇄 광섬유 루프내에서 신호를 주입하고, 신호를 감지하기 위해 멀티플렉성 결합기를 포함하는증폭기 시스템을 도시한 개략도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10, 58 및 60 : 광섬유 결합기 12a 및 12b : 광섬유 가닥
16a 및 16b : 구형 기부 또는 블럭 32 : 상호 작용지역
34a및34b : 미소지역 42 및 48 : 펌핑 조명 조명원
44 : ND : YAG 결정 46, 54 및 56 : 광섬유
62 및 64 : 광섬유 단부 66 : 입력 광섬유
70 : 감지기
본 발명은 광섬유 증폭기 및 광신호 증폭 방법에 관한 것이다.
어떤 물질의 레이저 광선 발생 능력에 기초를 둔, 특히 거시적 수준에 기초를 둔 광섬유 증폭기의 개념은 공지되어 있다. 그러므로, 예를 들어, 엄펌(pumping)광원 및 직경이 수 mm이고 길이가 수 cm인 단결정네오디뮴-이트륨 알루미늄 석류석(Neodymium-Yttrium Aluminium Garnet; ND : YAG) 봉을 관형반사성 공동(cavity) 내에 배치시키는 것은 공지되어 있다. 예를 들어, 광원 및 ND : YAG 봉은 타원형 횡단면을 갖고 있는 이러한 배열에서, 광원에 의해 방출되어 공동 벽으로부터 반사된 광선은 ND : YAG 봉에 충돌한다. 광원은 결정의 네오디뮴 이온들이 상부 레이징 레벨 이상의 에너지 레벨로 반전되도록 ND : YAG 결정의 흡수 스펙트럼에 대응하는 파장을 방출하도록 양호하게 선택된다. 반전된 후, 포논(phonon)방사선을 통하는 네오디뮴 이온의 초기 감쇠는 상부 레이정 레벨에서 이온군(群)이 생기게 한다. 이온은 상부 레이정 래벨로부터 하부 레이징 레벨로 감쇠되어, ND : YAG 물질의 특성을 갖는 파장의 광선을 방출한다. 유리하게도, 하부 레이징 레벨은 신속한 포논 방출의 감쇠가 하부 레이짐 레벨과 바닥 레벨 사이에서 일어나도록 이온에 대한 바닥 레벨보다 위에 있으므로, 고반전 비는 펌프된 이온내의 상부와 하부 레이징레벨 사이에 존재할 수 있게 된다.
레이저 기술분야에 공지된 바와 같이, 이온군이 이렇게 반전되면, ND : YAG는 초저속 형광, 즉 비간섭광선을 등속 방출시킨다. 그러나, 이 자발적인 방사선은 증폭 봉 상에서 최소의 효율을 갖는데, 그 이유는 반전 상태의 이온의 평균 수명이 ND : YAG 내에서 230μsec이기 때문이다.
ND : YAG 봉의 네오디뮴 이온의 어느 정도 반전된 후, 레이징 주파수에서의 광신호가 봉을 통해 전송되면, 이 광신호는 네오디뮴 이온들의 감쇠를 트리거시켜 유도 방사선을 간섭성으로 방출시키는데, 이 방사선은 전송 신호에 효율적으로 부가되므로 이 전송 신호를 증폭시키게 된다.
ND : YAG 결정내의 펌핑 조명의 흡수 길이(즉, 조명의 약 65%가 흡수되기 전에 조명이 통과해야 하는물질의 길이)는 전형적으로 2 내지 3mm 정도이므로, 상술한 바와 같은 통과 펌핑 구조물 내에 사용된ND : YAG 결정은 최소한 이 크기의 직경을 갖고 있으므로 이 결정은 공동벽으로부터 최초 반사되어 결정을 통과하는 동안 펌핑 방사선을 상당한 부분을 흡수할 수 있다. 이 결정의 최초 통과중에, 펌핑 조명이 흡수되지 않으면, 공동 벽에 의해 광원으로 다시 반사되어 이 광원에 재흡수되므로, 광원 내에서 열을 발생시키고, 증폭기의 전체 효율을 감소시키게 된다.
이러한 증폭기들이 광섬유 시스템 내에 사용되면, 광섬유와 ND : YAG 결정 사이의 직경이 크게 다르기 때문에 광선을 광섬유로부터 ND : YAG 봉내에 접속시키고, 증폭된 광신호를 ND : YAG 봉으로부터 다른광섬유 내로 다시 접속시키기 위해 렌즈와 같은 광학 구성 부품들을 사용해야 한다. 이러한 광학 시스템들은 신중히 배열되어야 하고, 진동 및 열 영향과 같은 주위 환경 변화에 영향을 받기 쉽다. 부수적으로, 광학 구성 부품들 및 ND : YAG 봉의 크기는 증폭 시스템을 비교적 크게 만들므로 어떤 응용을 하기엔 비실용적이다. 또한, 비교적 큰 크기의 ND : YAG 봉은 열 효과로 인해 봉내에 비임 편류를 발생시킨다. 그러므로, 입력 광섬유 소자로부터의 신호는 온도에 관련되고 시간에 따라 변하는 특성을 갖고 있는 봉을 통하는 상이한 통로를 통과하므로, 출력 광선은 광섬유가 작은 수용각 내에 있는 광선만을 수용한다는 사실로 인해 손실될 수 있다. 그러므로, ND : YAG 봉내의 비임이 편류될 때, 출력 신호는 제어 불가능한 방법으로 변할 수 있다. 또한, ND:YAG 봉의 크기가 크면, 봉내에 고에너지 밀도를 유지하기 의해 많은 양의 입력 에너지를 필요로 한다. 이러한 큰 펌프 전력은 고출력 광원을 필요로 하며, 전형적으로 공동의 액체냉각에 의해 소모되어야 하는 상당한 열을 발생시킨다.
이 형태의 증폭기들은 통신 응용과 같은 대부분의 응용시에 유용하지만, 이 증폭 시스템에 상당한 제한을 가해 사용하는 것은 재순환 광섬유 자이로스코프(gyroscope)이다. 이러한 자이로스코프로 사용할 때에는 전형적으로 길이가 1Km 이상인 광섬유가 루프내에 감기고, 광신호는 양방향으로 루프내에서 재순환된다. 루프의 운동은 자이로스코프 회전을 측정하는데 사용될 수 있는 역-전달 광신호들 사이에 위상차가 생기게한다. 이것은 장점이 될 수 있는데, 그 이유는 한 방향으로 유도된 위상 전이가 비교적 작고, 회전에 관련된 주기적인 출력이 입력 광선을 루프내에서 가능한 여러번 재순환시키는데 필요하기 때문이다.
1km의 광섬유를 통과할 때, 광신호는 전형적으로 이 광신호 제기의 30 내지 50%가 손실된다. 증폭기가 쌍방향성 역-전달 광신호들을 증폭할 수 있으면, 증폭기는 광신호가 루프내에서 여러번 전달되게 하는데,이 경우 증폭기는 루프와 직렬로 배치되고 전단손실과 동일한 이득을 제공한다.
불행하게도, 종래 기술의 ND : YAG 봉 증폭기의 비교적 비효율적인 성능, 비임 편류 효과 및 냉각 필요성에 의해 야기된 비교적 큰 크기, 고전력의 필요성은 이러한 증폭기들이 고정확도의 자이로스코프로서 비교적 비실용적으로 되게 한다. 물론, 이 요인들은 통신 회로망과 같은 다른 응용시에 이러한 증폭기들을사용하는 것도 제한시킨다.
결정 봉 증폭기에 관련된 이 단점들은 본 발명에서 제거된다. 상세하게 말하자면, 본 발명은 레이저 광선을 발생시키는(이하, 레이즈라 함) 물질로 도프된 결정 광섬유, 레이즈될 상기 물질의 레이징 주파수에서의 신호원, 상기 결정 광섬유에 결합된 광섬유 단부 및 상기 신호와 상기 펌프 광선을 상기 광섬유상에 결합시키기 위한 장치로 구성된 광섬유 증폭기 시스템에 관한 것이다.
양호하게, 이 결합 장치는 광학 결합기, 특히 단일 모드 광학 결합기로 구성된다. 양호하게 광학 결합기는 미소 지역 결합에 사용되고, 신호들 및 펌프 광선에 대한 상이한 결합 계수들을 제공할 수 있다. 양호하게도, 광학 결합기는 파장에 따라 변하고 신호들 및 펌프 광선의 파장이 상이한 결합 효율을 가지므로, 신호들 및 펌프 광선에 대한 상이한 결합 효율들을 발생시킨다.
양호하게도, 결정 광섬유를 도프하는 물질은 펌프 광선과 함께 펌프될 때 신호들의 주파수에서의 레이저전이를 갖는다. 또한, 신호들 및 펌프 광선은 양호하게 제1 및 제2입력 광섬유들내에 각각 전송되고, 광섬유 결합기는 신호 및 펌프 광선 중의 1개의 파장에서 이 광섬유들의 결합 길이의 짝수배이고 신호 및 펌프광선 중의 다른 1개의 파장에서 광섬유의 결합 길이의 홀수배인 유효 상호 작용 길이를 갖고 있는 상호 작용 영역을 제공하도록 제1및 제2입력 광섬유들과 나란히 배치된다.
양호하게도, 광섬유들은 펌프 광선의 파장에서의 결정 물질의 흡수 길이보다 짧은 직경을 갖는다.
부수적으로, 본 발명은 광신호 및 펌핑 조명을 단일 광섬유 상에 결합시키는 단계 및 펌핑 조명으로 펌프될 때 광신호의 주파수에서 유도 방사선을 방출시키는 물질로 도프된 결정 광섬유에 단일 광섬유를 단부 결합시키는 단계를 포함하는 광섬유에 의해 이송된 광신호를 인가하는 방법을 포함한다. 양호하게도, 이 결합단계는 파장에 따라 변하는 결합 효율을 갖는 광학 결합기내의 광신호 및 겊펑 펌핑을 멀티플렉싱하는 단계를 포함한다.
본 발명은 ND : YAG 물질을 단부 펌핑시키므로, 축 펌핑 장치내에서 비간섭성인 이 결정의 직경이 클필요가 전혀 없다. 그러므로, ND : YAG 광섬유는 종래 기술의 봉 증폭기에 비해 직경이 매우 작게 만들어질 수 있는데, 그 이유는 펌핑 조명이 섬유의 폭을 가로지르지 않고 광섬유의 길이를 따라 흡수되기 때문이다. 이것은 ND : YAG 결정의 작은 직경의 펌핑 조명을 더 높게 집속시키므로, 증폭 구조물에 대한 더높은 포텐셜(potential) 이득을 발생시킨다.
상술한 설명을 기초로 하면, 이 단부 펌핑을 달성하기 위해서, ND : YAG 물질은 양호하게 작은 직경의 광섬유로서 형성되고, 증폭될 신호를 전송하는 광섬유와 직렬로 배치된다는 것을 알 수 있다.
ND : YAG 광섬유에 인접하여, 광섬유는 양호하게 멀티플렉싱 광학 결합기를 통과한다. 이 멀티플렉싱결합기 내에는, 한 쌍의 광섬유들이 양호하게 펌핑 조명원의 파장에서 높은 광섬유-대-광섬유 결합 효율을 제공하지만 증폭될 신호의 파장에서 낮은 결합 효율을 신중히 선택된 상호작용 길이와 배열된다. 이것은 신호를 이송하는 광섬유 내에 펌핑 조명을 결합시키므로, ND : YAG 광섬유내로 결합시키지만, 증폭될 광신호에 대한 손실을 상당히 제거하는데, 그 이유는 이 신호가 멀티플렉싱 결합기에 의해 광섬유로부터 결합되지 않기 때문이다.
본 발명은 펌핑 조명이 ND : YAG 광섬유의 단부로 안내하기 위해 신호 섬유내로 결합되게 하기 때문에, ND : YAG 광섬유의 직경은 펌핑 파장에서의 흡수 길이를 초과할 필요가 없는데, 그 이유는 펌핑 조명이 양호하게 ND : YAG 광섬유의 축에 수직이 아니라 이 축을 따르는 방향으로 효율적으로 흡수되기 때문이다.
이 장치를 사용하면, 펌핑 조명은 신호 이송 특성에 간섭받지 않고서 증폭 ND : YAG 광섬유에 계속 공급될 수 있다. 그러므로, 4-포트 결합기가 양호하게 펌핑 조명을 증폭 광섬유에 멀티플렉싱하기 위해 사용되기 때문에, 증폭 광섬유의 단부들은 양호하게도 펌핑 조명의 인가 및 증폭될 신호 사이의 신중한 시간 순차가 필요없게 되도록 신호를 광학 시스템내의 광섬유들에 직접 결합시키는데 항상 유용하게 된다.
ND : YAG 결정내의 균일한 쌍방향성 증폭을 달성하기 위해서, 펌핑 조명은 ND : YAG 광섬유의 양 단부에 배열된 멀티플렉싱 결합기에 의해 공급될 수 있으므로, 이 광섬유의 길이를 따라 대칭적인 반전 군을제공하게 된다.
이제부터, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 장점들 및 다른 장점들에 대해서 상세하게 기술하겠다.
본 발명의 광섬유 증폭기의 동작을 상세하게 이해하기 위해서는, 광섬유 결합기가 제1광주파수를 선택적으로 결합하지만 제2광주파수는 결합하지 않도록 구성될 수 있는 방법을 알아야 한다. 이러한 선택적인 결합에 필요한 장치뿐만 아니라 이 장치를 구성하는 방법은 "수동 광섬유 멀티플렉서"란 명칭으로 1982년 11월 4일자 출원되고 1983년 5월 18일자로 공고번호 제0,079,196호로 공고된 유립 특허 출원 제82305851.6호에 기술되어 있다. 이 출원은 본 발명의 양수인에게 양도되었다. 이 장치 및 이 제조 방법의 주요 특성에 대해서는 다음에 기술하겠다.
본 발명은 광섬유 결합기를 사용하는 수동 멀티플렉서를 사용한다. 이 결합기(10)은 제1도 내지 제4도에 도시되어 있고, 단일 모드 광섬유 물질로 된 2개의 가닥(12a 및 12b)의 코어 반경은 2미크론이고, 코어굴절률은 1.46이며 피복불 인덱스는 1.456이다. 가닥(12a 및 12b)는 각각의 구형 기부 또는 블럭(16a 및16b)의 광학적으로 평평한 대향 표면(14a 및 14b) 내에 각각 형성된 종방향 아치형 홈(13a 및 13b)내에 각각 장착된다. 가닥(12a)가 홈(13a)내에 장착된 블럭(16a)를 결합기 절반부(10a)라 하고, 가닥(12b)가 홈(13b)내에 장착된 블럭(16b)를 결합기 절반부(10b)라고 하겠다.
각각의 가닥(12a 및 12b)는 중심 코어 및 외부 피복물을 갖도록 도우프된 광섬유로 구성된다. 가닥(12a및 12b)는 중심 코어 및 외부 피복물을 갖도록 도우프되는 시판 중인 석영 유리로된 광섬유로 구성될 수있다. 광섬유 가닥(12a 및 12b)의 굴절률은 가능한한 동일해야 하고, 가닥(12a 및 12b)의 굴절률은 가능한한 동일해야 하고, 가닥(12a와 12b)는 사용될 광주파수에서 단일 모드 전송을 제공하도록 충분히 작은 중심 코어를 포함해야 한다. 그러므로, 이 가닥(12a 및 12b)는 전형적으로 10미크론 이하 정도의 코어 직경과 125미크론 정도의 피복물 직경을 갖는다. 도시한 실시예에서, 가닥(12)의 직경과 이들 각각의 코어는 확대되어 있다. 다음 설명으로부터 더욱 상세하게 알 수 있는 바와 같이 광섬유(12b)는 증폭될 신호를 전송하기 위해 사용되지만, 광섬유(12a)는 펌핑 조명을 광섬유(l2b)에 결합시키는데 사용된다. 이런 이유때문에, 광섬유(12b)를 신호 광섬유라 하고, 광섬유(12a)를 펌핑 광섬유라 하겠다.
아치형 홈(13a 및 13b)는 광섬유(12)의 직경에 비해 매우 큰 곡률 반경을 갖고 있고, 광섬유(12)가 이홈내에 장착될 때 홈(13)의 저부벽에 의해 정해진 통로에 일치하게 하기 위해 광섬유 직경보다 약간 더 큰폭을 갖고 있다. 홈(13a 및 13b)의 길이는 각각의 블럭(16a 및 16b)의 중심부에서의 최소치로부터 각각의 블럭(16a 및 16b)의 연부에서 최대치로 변한다. 이것은 유리하게도, 광섬유 가닥(12a 및 12b)가 홈(13a 및13b)내에 장착될 때, 중심부를 향해 모이게 하고, 블럭(16a, 16b)의 연부를 향해 분기되게 하므로, 모드 변동을 통해 전력 손실을 야기시킬 수 있는 광섬유(12)의 방향으로의 뾰족한 만곡 또는 갑작스런 변화들을 제거시킨다. 도시한 실시예에서, 홈(13)은 단면이 구형인 것으로 도시되어 있으나, 광섬유(12)를 수용하는U-형 단면 또는 V-형 단면과 같은 다른 적당한 단면 외형이 선택적으로 사용될 수 있다.
도시한 실시예에서, 블럭(16)의 중심부에 가닥(12)를 장착시키는 홈(13)의 길이는 가닥(12)의 직경보다작고, 블럭(16)의 연부에서의 홈(13)의 깊이는 양호하게도 최소한 가닥(12)의 직경만큼 크다. 광섬유 물질은 대향 표면(14a 및 14b)와 동일 평면에 있는 각각의 타원형 평면(18a 및 18b)를 형성하도록, 예를 들어 연마에 의해, 각각의 가닥(l2a 및 12b)로부터 제거되었다. 이 표면(18a 및 18b)를 본 명세서에서는 광섬유"접촉 표면"이라고 하겠다. 그러므로, 제거된 광섬유 물질의 양은 블럭(16)의 연부를 향한 0으로부터 블럭(16)의 중심부를 향한 최대치로 점점 증가한다. 광섬유 물질의 이 테이퍼식(tapered) 제거는 광섬유 코어들이 점점 모이고 분기되게 하여, 광선 에너지의 후방 반사 및 과대 손실을 방지하는데 유리하게 된다.
도시한 실시예에서, 결합기 절반부(10a 및 10b)는 동일하고, 블럭(16a 및 16b)의 대향 표면(14a 및 14b)를 함께 배치시킴으로써 조립되므로, 가닥(12a 및 12b)의 접촉 표면(18a 및 18b)는 접촉 관계로 있게 된다
인덱스 정합 오일과 같은 인덱스 정합 물질(도시하지 않음)은 대향 표면(14)들 사이에 제공된다. 이 물질은 피복물의 굴절률과 거의 동일한 굴절률을 갖고 있고, 또한 광학적으로 평평한 표면(14)들이 함께 영구적으로 로크(lock)되지 못하게 한다. 이 오일은 모세관 작용에 의해 블럭(16)들 사이에 삽입된다.
상호 작용 지역(32)는 가닥(12)들의 접합점에 형성되어, 이 상호 작용 지역내에서 광선은 미소 지역 결합에 의해 가닥들 사이로 이동된다. 미소 지역 결합을 적당히 하기 위해, 광섬유(12)들로부터 제거된 물질의 양은 가닥(12)들의 코어 부분들 사이의 간격이 선정된 "임계 지역"내에 있도록 조심스럽게 제어되어야 한다. 미소 지역은 피복물내로 연장되고 각각의 코어 외측에서 일정 거리로 신속하게 감소한다. 그러므로 각각의 코어가 다른 코어의 미소 지역내에 충분히 배치되게 하기 위해 상당한 물질이 제거되어야 한다. 너무적은 물질이 제거되면 코어들은 미소 지역이 안내된 모드들의 바람직한 상호 작용을 발생시키도록 충분히 밀접하게 되지 못하므로, 불충분한 결함이 생기게 된다. 반대로, 너무 많은 물질이 제거되면, 광섬유들의 전달 특성이 변경되어, 모드 변동으로 인해 광에너지가 손실된다. 그러나, 가닥(12)들의 코어들 사이의 간격이 임계지역내에 있으면, 각각의 가닥은 다른 가닥으로부터 미소 지역 에너지의 상당한 부분을 수용하여,상당한 에너지를 손실하지 않고서 양호한 결합을 하게 된다. 임계 지역은 (34a 및 34b)로 표시된 광섬유(12a 및 12b)의 미소 지역이 각각 결합하기에 충분한 세기로 중첩된, 즉 각각의 코어가 다른 코어의 미소지역 내에 있는,(33)으로 표시된 지역을 포함하는 것으로 제5도에 개략적으로 도시되어 있다.
블럭 또는 기부(16)은 적당한 강성 물질로 제조될 수 있다. 한 양호한 실시예에서, 기부(16)은 일반적으로 길이가 약 2.54cm(1인치)이고, 폭이 2.54cm(1인치)이며, 두께가 1cm(0.4인치)인 석영 유리를 용융시켜 만든 구형 블럭으로 구성된다. 이 실시예에서, 광섬유 가닥(12)는 에폭시 접착제와 같은 적당한 점작제(38)에 의해 슬롯트(l3)내에 고착된다. 용용된 석영 블럭(16)의 한가지 장점은 이 블럭들이 유리 섬유와 유사한 열 팽창 계수를 갖고 있다는 것인데, 이 장점은 특히 블럭(l6) 및 광섬유(12)가 제조 공정 중에 열처리를 받을 경우에 중요하다. 용융된 석영 블럭의 다른 장점은 이 블럭들이 광섬유와 동일한 물질로 제조될때, 이 블럭들은 광섬유와 동일한 비율로 연마되므로 연마 중에 광섬유를 계속 지지한다는 것이다. 블럭(16)용의 다른 적당한 물질은 이 응용의 경우에 우수한 열 특성을 갖고 있는 실리콘이다.
[결합기(10)의 동작]
결합기(10)은 제1도에 A, B, C 및 D로 표시한 4개의 포트를 포함한다. 제1도의 사시도를 고찰하면, 가닥(12a 및 12b)에 각각 대응하는 포트 A 및 포트 C는 결합기(10)의 좌측에 있고, 가닥(12a 및 12b)에 각각 대응하는 포트 B 및 포트 D는 결합기(10)의 우측에 있다 설명을 하기 위해서, 입력 광선이 포트 A로 인가된다고 가정한다. 이 광선은 가닥(12)들 사이에 결합된 전력량에 따라 결합기를 통과하여 포트 B 및포트 D에서 출력된다. 이에 관련해서, "표준 결합 전력"이란 용어는 결합 전력 대 전체 출력 전력의 비로서 정해진다. 상기 예에서, 표준 결합 전력은 포트 D에서의 전력 대 포트 B와 D에서의 전력 출력의 합계의 비와 동일하게 된다. 이 비를 "결합 효율"이라고도 하는데, 이렇게 사용될 때에는 %로서 표시된다. 그러므로, "표준 결합 전력"이란 용어를 본 명세서에 적용하면, 대응하는 결합 효율은 표준 결합 전력의 100배와 같다는 것을 알아야 한다. 이에 관련해서, 검사 결과, 결합기(10)이 100%까지의 결합 효율을 갖는 것으로 나타났다. 그러나, 결합기(10)은 0과 최대치 사이의 적당한 값으로 결합 효율을 조정하도록 "동조"될수도 있다. 이러한 동조는 예를 들어, 광섬유를 이 광섬유의 길이에 수직인 방향으로 측방향으로 슬라이딩시킴으로써 달성될 수 있다. 광섬유의 상대 위치는 이 광섬유들의 편기, 즉 표면(14)를 따라 이 광섬유 길이의 수직 방향으로 측정된 광섬유 코어들의 중심축들 사이의 거리에 의해 정해질 수 있다. 그러므로, 타원형 표면(18)이 중첩되면, 편기는 0인데, 이 편기는 광섬유(12)들이 블럭(16)을 슬라이딩시킴으로써 축방향으로 분리될 때 증가한다.
결합기(10)은 방향성이 높으므로, 결합기의 한 측에 인가된 모든 전력은 결합기의 다른 측으로 전달된다. 결합기 방향성은 포트 A로 입력이 인가될 때, 포트 D에서의 전력 대 포트 C에서의 전력의 비로서 정해진다. 검사 결과, (포트 D에서의) 방향성 결합 전력은(포트 C에서의) 역방향성 결합 전력보다 60db이 더 큰것으로 나타났다. 또한, 이 결합기 방향성은 대칭이다. 즉, 이 결합기는 결합기측이 입력측이거나 출력측이거나 간에 관계없이 동일한 특성으로 동작한다. 또한, 결합기(10)은 매우 낮은 효율 손실로서 이 결과들을 달성한다. 효율 손실은 1에서 감산한 (포트 B 및 포트 D에서의) 전체 출력 전력 대 (포트 A에서의) 1입력진력의 비[즉,1-(PB+PD)/PA]로서 정해진다. 실험 결과, 0.5db의 손실이 대부분이었으나, 0.2db의 효율손실이 얻어진 것으로 나타났다. 또한, 이 실험들은 결합기(10)이 인가된 입력 광선의 편광에 무관하게 동작한다는 것을 나타낸다.
결합기(10)은 광선이 가닥(12)들 사이로 이동되도록 가닥(12)의 안내 모드가 미소 지역을 통해 상호작용하는 미소 지역 결합 원리로 동작한다. 이미 기술한 바와 같이, 이 광선 이동은 상호 작용 지역(32)에서 생긴다. 이동된 광선량은 상호 작용 지역(32)의 유효길이 뿐만 아니라, 코어의 근접 및 배향에 따라 변한다. 다음에 상세하게 기술하는 바와 같이, 전달된 광선량도 광선의 파장에 따라서 변한다. 상호작용 지역(32)의 길이는 광섬유(12)의 곡률 반경에 따라 변하고, 상호 작용 지역(32)의 유효 길이는 코어 간격에 무관하지만 제한적으로 코어 간격에 따라 변한다. 그러나, "결합 길이" 즉, 광신호를 한 광섬유(12)로부터 다른 광섬유로 한번 완전히 이동시키는데 필요한 상호 작용 지역(32)내의 길이는 파장 뿐만 아니라 코어 간격의 함수이다. 약 1.4미크론의 연부 대 연부 코어 간격 및 25cm 정도의 곡률 반경을 사용하는 한 예시적인 실시예에서, 유효 상호 작용 지역은 633nm의 광신호 파장에서 길이가 약 1mm이다. 이러한 결합기 내에서 633nm에서의 결합 길이가 또한 1mm이기 때문에, 광선은 상호 작용 지역(32)를 통과할 때 가닥(12)들 사이로 단 한번만 이동된다. 그러나, 상호 작용 지역(32)의 길이가 증가되거나 코어 간격이 감소되면, 결합 길이가 유효 상호 작용 길이보다 짧기 때문에 본 명세서에서 "과대 결합"이라고 칭한 현상이 생긴다. 이러한 상황하에서, 광선은 이 광선이 발생된 가닥으로 다시 이동된다. 상호 작용 길이가 더욱 증가되고, 코어 간격이 더욱 감소되면, 유효 상호 작용 길이는 결합 길이에 비해 증가되고, 최소한 어느정도의 광선은 다른 가닥으로다시 이동된다. 그러므로, 광선은 이 광선이 지역(32)를 통해 이동할 때 2개의 가닥(12)들 사이에서 전후로 여러번 이동되는데, 이러한 이동 횟수는 상호 작용 지역(32)의 길이, 다음에 기술한 바와 같은 광선 파장, 및 코어 간격에 따라 변한다.
상술한 바와 같이, 단일 모드 광섬유 결합기 내의 결합 길이가 신호 파장과 강력한 의존 관계로 있기 때문에, 제2신호 파장이 기본적으로 비결합되어 있는 동안 1개의 신호 파장을 완전히 결합시키도록 결합기(10)에 대한 기하학적인 파라메터들을 양호하게 선택할 수 있다. 이 현상은 결합기(10)의 한 측 상의 포트내로 공급된 2개의 신호들이 결합되게 한다. 그러므로, 제1도에 도시한 바와 같이, 파장 λ1을 갖고 있는펌핑 신호가 결합기(1C)의 포트 A내에 공급되고 파장 λ2를 갖고 있는 증폭될 신호가 포트 C에 결합되며, 기하학적인 파라메터들이 양호하게 선택되면, 두 신호들은 포트 D에 결합될 수 있고, 포트 B에는 광선 출력이 없게 된다.
이 파장 의존 관계를 설명하기 위해, 특정한 결합기의 기하학적인 파라메터에 대한 가시 스떽트럼 및 적외선 스펙트럼내의 신화 파장 대 결합 전력의 관계를 제6도에 도시하였다. 이 결합기 형태의 경우, 결합기의 유효 상호 작용 길이는 파장이 720nm인 경우의 결합 길이의 홀수배로 되지만, 파장이 550nm인 경우의결합 길이의 짝수배로 되기 때문에, 파장 720nm는 100% 결합되고, 파장 550nm는 효율적으로 비결합된다. 다른 효율에 따른 다른 파장들은 결합되거나 분리될 수 있다, 예를 들어,590nm 및 650nm는 80% 효율로분리되거나 결합될 수 있다.
사실상, 파장(λ1,λ2)쌍은 유효 상호 작용 길이가 한 파장의 경우에 결합 길이의 짝수배로 되고 다른 파장의 경우에 결합 길이의 홀수배로 되는한, 효율적으로 결합되거나 분리될 수 있다. 유효 상호 작용 길이내의 결합 길이의 수가 증가하면, 멀티플렉서의 분해도는 향상된다. 참고 출원서에 상세히 기술된 바와 같이, 멀티플렉서 분해도는 광섬유(12a 및 12b)의 곡률 반경을 증가시킴으로씨 향상될 수 있다. 결합기의 상호 작용 길이가 충분히 크면 2개의 신호들은 이 신호들의 파장들이 어떻게 밀접하게 간격을 두고 떨어져 있는가에 관계없이 정확히 혼합되거나 분리된다.
상호 작용 길이는 파장의 함수이고, 분해도는 (R)-1/2에 거의 비례한다. R이 증가하면 유효 상호 작용 길이가 증가하고, 결합 길이의 더 높은 배수로 되어 분해도가 개량된다. 곡률 반경이 200cm로 증가된 것을 제외하면, 제6도의 그래프와 비교될 수 있는 그 결과가 제7도에 도시되어 있다. 예상한 바와 같이, 이 반경 증가는 λ=600nm 부근에서의 결합기 분해도를 예를 들어, 제6도의 25cm 반경에서의 약 170nm로 부터200cm 경우의 약 60nm로 개량시킨다.
멀티플렉싱 결합기의 분해도는 2개의 독립 파라메터, 즉 H(광섬유 간격) 및 R(광섬유의 곡률 반경)에 따라 변한다. 소정의 신호 파장 쌍들의 경우, 효율적으로 혼합시키는 것은 우선 중요 파장에 대한 큰 파방의존 관계를 발생시키는 결합기에 대한 광섬유 간격 H를 양호하게 선택(H의 선택)한 후, 그 다음 파장들사이의 차이와 동일한 분해도를 발생시키는 곡률 반경을 선택(R의 선택)함으로써 이루어질 수 있다.
결합기의 분해도가 분리될 파장에 따라 세트된 후, 결합기는 유효 상호 작용 길이가 한 파장에서 결합 길이의 짝수배로 되고 다른 파장에서 결합 길이의 홀수배로 되도록 중요 파장에 대한 결합 길이를 정확히 조정하도록 동조될 수 있다. 이것은 광섬유(12a 및 12b)의 축에 수직인 방향으로 서로에 관련해서 블럭(16a및 16b)를 슬라이딩시키어 광섬유를 편기시킴으로써 이루어진다. 이러한 편기는 최소 광섬유 간격 H를 증가시키고 광섬유의 유효 곡률 반경을 증가시키는 효과를 갖고 있다. 요구된 편기가 매우 작으면, 멀티플렉서 분해도를 나쁘게 하지 않는다. 이것은 큰 반경 결합기의 간격 H가 광섬유 편기에 따른 유효 곡률 반경의 변화와 비교하여 광섬유 편기에 따라 신속하게 변한다는 사실로부터 유래된다.
멀티플렉싱 결합기의 이 동조 능력을 설명하기 위해, 제8도에는 광섬유 편기의 3개의 증가치(0미크룐, 0.5미크론 및 1.0미크론)에 대한 파장 대 상대 결합 전력의 그래프가 도시되어 있다. 곡선은 편기가 증가할때 증가 파장을 향해 전이되는 것으로 도시되어 있으나, 진동(또는 분해도)의 주기는 사실상 변하지 않는다. 이 특정한 예(R=200cm, H=4미크론)에서, 1미크론 편기는 곡선을 약 45nm 정도 전이시킨다.
증폭기의 전체 동작
제9도를 참조하면, 본 발명의 증폭기가 ND : YAG 광섬유를 활성화시키기 위해 펌핑 조명을 제공하도록 결합기(10)의 파장 멀티플렉싱 특성을 사용하는 방법이 도시되어 있다.
펌핑 조명원(42)는 펌핑 조명을 멀티플렉싱 결합기(10)의 포트 A에 제공하도록 결합기(10)의 광섬유(12a)에 결합되고, 증폭될 신호는 결합기(10)의 포트 C에서 광섬유(l2b)의 한 단부에 결합된다. 조명원(42)로부터의 펌핑 조명 및 증폭될 신호는 상술한 바와 같이 결합기의 멀티플렉싱 동작을 통해 결합기(10)에서 포트 D에 결합된다. 그러므로, 결합기(10)은 조명원(42)의 파장에서 100%의 결합 효율을 갖고 포트 C에 입력된 신호의 파장에서 0%의 결합 효율을 갖도록 조정된다. 이 신호 파장 쌍은 다음에 기술한 방법으로 광섬유(12d)에 결합되는ND : YAG 결정(44)에 공급된다. 포트 C에 입력된 신호는 이 ND : YAG 결정(44)내에서 증폭되고, 이 증폭된 신호는 광섬유 시스템내로 이동시키기 위해 이 결정(44)로부터 광섬유(46)에결합된다. ND : YAG 결정(44)의 직경은 종래 기술의 중폭기내에 사용된 ND : YAG 봉의 직경에 비해 매우 작아질 수 있다. 예를 들어, 증폭기는 결정(44)의 직경이 100미크론으로 되도록 구성되었다. 이 직경은 단일 모드 광학 섬유(12b)의 직경에 가까운 더 작은 직경으로 될 수 있다. 결정(44)의 직경이 감소될 때결정(44)내의 조명원(42)로부터의 펌핑 조명의 밀도가 증가하기 때문에 결정(44)의 직경이 감소되고 신호이득이 증가될 때 광섬유(12b)와 결정(44) 사이의 결합은 향상된다.
ND : YAG 증폭
27℃에서의 ND : YAG 결정(44)의 흡수 스펙트럼의 도표를 도시한 제10도를 참조하면, ND : YAG 물질이 비교적 높은 광학 밀도를 갖고 있으므로, 선택된 파장에서 짧은 흡수 길이를 갖고 있다는 것을 알 수 있다. 이러한 이유로 인해, 흡수 길이가 가능한 한 짧게 되게 하기 위해 펌핑 조명원(42)의 파장을 선택하는것이 적당하다. 이것은 ND : YAG 결정(44)의 최단 길이내에서 펌핑 조명을 완전히 흡수하게 한다. 제10도로부터 알 수 있는 바와 같이, 0.75미크론 및 0.81미크론의 파장이 비교적 적합하지만, 0.58미크론의 파장이 펌핑 조명용으로 가장 적합하다.
ND : YAG 결정(44)에 대한 에너지 레벨 도표를 도시한 제11a도를 참조하면, 상술한 흡수 파장에서 펌프 광선이 결정(44)에 의해 흡수되면, 네오디뮴 이온들은 바닥 상태로부터 펌프 대역으로 여기된다는 것을 알 수 있다. 이 이온들은 펌프 대역으로부터 또는 상호 작용 지역을 통해 상부 레이징 레벨로 신속히 감쇠한다. 이 상부 레이징 레벨로부터, 네오디뮴 이온은 비교적 천천히 형광되면서, 하부 레이징 레벨로 된다.이 하부 레이징 레벨로부터 바닥 상태로의 최종적인 신속한 감쇠가 일어난다. 제11a도에 도시한 형태의4-레벨 레이저 시스템 내에서의 이 나중의 신속한 감쇠는 유리한데, 그 이유는 하부 레이징 레벨과 바닥상태 사이의 신속한 포논 감쇠가 실제로 공백 상태의(empty) 하부 레이징 레벨을 제공하기 때문이다. 이형태는 연속 펌핑 중 펌프 대역, 상부 레이징 레벨, 하부 레이징 레벨 및 바닥 상태에서의 이온군 밀도가ND : YAG 결정(44)에 대해 도시되어 있는 제11b도에 도시되어 있다. 상부 레이징 레벨과 하부 레이징 레벨 사이의 형광비가 하부 레이징 레벨과 바닥 상태 사이 뿐만 아니라 펌프 대역과 상부 레이징 레벨 사이의포논 감쇠에 비해 비교적 느리기 때문에, 상부 레이징 레벨에서의 이온군 밀도는 하부 레이징 레벨에서의이온군 밀도보다 높으므로, 높은 반전비를 발생시킨다. 자발적인 형광 이전의 상부 레이징 레벨에서의 네오디뮴, 이온들의 평균 수명은 ND : YAG 내의 27℃에서 230μsec이다.
증폭될 신호는 레이저 전이 파장(1.064미크론)에서의 파장, 즉 상부와 하부 레이징 레벨 사이의 감쇠중에ND : YAG 이온에 의해 방출된 광선의 파장을 갖도록 선택된다. 이 신호가 결합기(10)에 의해 결정(44)에 공급되면, 이 신호는 신호와 간섭하는 동일한 주파수에서의 유도 광자의 방출을 트리거시킴으로써, 이 신호는 증폭된다. 그러므로 이 주파수에서의 광통로는 증폭될 광선 신호와 동상으로 제11a도의 상부 레이징 레벨과 하부 레이징 레벨 사이에서 광자 방출 감쇠를 야기시켜, 입력 광신호에 대한 효율적인 이득을 발생시킨다.
본 발명의 증폭기내에서 이루어질 수 있는 이득은 ND : YAG 결정(44)내에서 발전된 네오디뮴 이온군의 밀도에 따라 변한다. 최초로, 최종 반전 이온군은 YAG 물질(44) 자체의 격자 구조에 의해 제한되는데, 그이유는 ND : YAG 물질내에서 이트륨 원자가 결정 격자내의 네오디뮴 원자로 대체되기 때문에, 각각의100개의 이트륨 원자들 중 약 1개의 이트륨 원자만이 ND : YAG 물질의 격자 구조를 왜곡시키지 않고서 네오디뮴 이온으로 대체될 수 있다.
관계식 g0=δ△N을 사용하여 본 발명의 증폭기의 소이득 신호 g0을 이론상으로 계산할 수 있는데, 이때, ∂는 8.8×10-9cm2의 ND : YAG 경우의 유도 방출 단면이고, △N은
Figure kpo00001
로 주어진 이온군 반전 밀도인데, 이때 Pp는 흡수 펌프 전력이고, V는 결정 체적이므로, Pp/V는 단위 광섬유 체적당 흡수 펌프 전력이며, tsp는 자발적인 방사성 수명, 즉 네오디뮴 이온들의 230μsec 형광 감쇠시간이고, n1은 제10도에 도시한 바와 같은 ND : YAG 흡수선과의 펌프 출력의 유효 스펙트럼 중첩이며, n2는 1.06이크론 형광의 양자 효율, 즉 0.63과 동일하고, hν는 1개의 펌프 광자의 에너지와 동일하다.
펌프 전력상의 이득에 따라 변하는 경우, 상기 관계식을 결합시키면:
Figure kpo00002
가 된다. Pp값은 흡수된 펌프 전력이고, 결정(44)의 길이의 증가는 반드시 이득을 증가시키지는 않는다. 그러므로, 조명원(42)로부터의 펌핑 방사선이 ND : YAG 결정(44)에 완전히 결합되어, 이 결정(44)가 펌핑 방사선을 완전히 흡수하기에 충분한 거리 만큼이 결정(44)내로 이동하면, 이때 이 방정식 내의 Pp값은입력 전력 레벨로 대체될 수 있다. 그러나, 정미 이득을 얻기 위해, go에서 1.06미크론에서의 ND : YAG결정(44)내의 전달 손실을 빼야 한다. 100db/km의 손실은 단지 0.001db/cm 만큼 이득을 감소시킨다. 그러므로, 모든 입력 펌프 전력이 흡수되는 동안 결정(44)의 전체 길이가 짧게 유지될 수 있으면, 증폭기 내에서의 전달 손실은 저 레벨로 유지될 수 있다.
증폭기의 상세한 동작
제9도를 참조하면, 결합기(10)의 멀티플렉싱 동작을 통해, 결합기의 포트 A에서 광섬유(12a)에 결합된 펌핑 조명원(42)는 펌핑 조명을 ND : YAG 결정(44)에 제공한다. 예를 들어, 이 펌핑 조명원(42)는 약1000amp/cm2의 전류 밀도에서 동작하고 약 5w/sr·cm2의 광도를 갖고 있는 것으로 널리 사용되는 LED일 수 있다. 실제로 LE D들은 약 50w/srㆍcm2의 광도를 갖고 있는 것으로 널리 알려져 있다. 단일 모우드광섬유(12a)와 이 LED들 사이의 상이한 크기로 인해, 렌즈는 LED 광원 출력을 광섬유(12a)내로 집속시킬때 유용하게 될 수 있다.
선택적으로, 펌프 광원(42)는 광섬유(12a)내에 펌프 전력을 더 높이 집속시키므로 ND : YAG 결정(44)내에 펌프 전력을 더 높이 집속시키는 레이저 다이오드일 수 있다.
사용된 펌핑 조명원(42)의 형태에 관계없이, 이 조명원(42)로부터의 방사선 파장이 제10도에 도시한ND : YAG 결정(44)의 홀수 스펙트럼의 최대치와 대응하는 경우에, 시스템의 효율을 향상된다. 전자-발광 다이오드들은 실온 ND : YAG 물질의 흡수 스펙트럼을 매우 양호하게 정합시키는 0.8미크론의 범위내의 스펙트럼을 방출시키기에 양호하게 도우핑하므로 상업적으로 유용하다. 예를 들어, 시판중인 GaAlAsLED 들은 0.8미크론 범위에서 강한 방사선 스펙트럼을 제공한다. 이와 마찬가지로, 레이저 다이오드 구조물은 0.8 내지 0.85미크론 범위에 걸쳐서 에너지를 방출시킨다. 부수적으로, 펌프 파장은 전체 펌핑 효율을최대화시키기 위해, ND : YAG의 분광학에 의해 허용되는 것만큼 신호 파장에 가까워야 한다.
결정(44)의 ND : YAG 물질의 레이징 주파수는 1.06미크론이다. 그러므로, 멀티플렉싱 결합기(10)은 상기 예에서 0.8미크론인 펌핑 조명원(42)의 파장에서 완전히 결합하고, 동일한 예에서 1.06미크론인 ND : YAG 결정(44)의 레이징 주파수에서 결합하지 않도록 본 발명에 사용하기 위해 제조된다.
이 선택적인 결합은 0.8미크론과 1.06미크론 사이의 파장인 경우에 큰 파장 의존도가 생기도록 광섬유 간격 H를 양호하게 선택한 후, 1.06미크론과 0.8미크론 또는 0.26미크론 사이의 차이와 동일한 분해도를 발생시키는 광섬유(12a 및 l2b)에 대한 곡률 반경을 선택함으로써, 상술한 기술에 의해 달성된다. 결합기의 분해도가 이런식으로 세트된 후, 상술한 바와 같이, 결합기는 유효 상호 작용 길이가 이 파장쌍들 중의 한파장에 대한 결합 길이의 짝수배로 되고 나머지 파장들의 결합 길이의 홀수배로 되도록 0.8미크론 및 1.06미크론의 파장에 대한 결합 길이를 조정하도록 동조될 수 있다. 제9도에 도시한 예에서, 펌핑 조명원(42)의 출력을 광섬유(12b)내에 결합시키는 것이 바람직하므로, 결합기에 대한 유효 상호 작용 길이는 펌핑 조명원(42)의 파장, 즉 0.8이크론에서 결합 길이의 홀수배로 되고 1.06미크론의 신호 주파수의 짝수배로 되도록 조정되어야 한다. 이것은 광섬유(12b)로부터 광섬유(12a)로 증폭될 신호가 필수적으로 결합하지 않게하고, 펌핑 조명원(42)로부터의 조명이 광섬유(12a)로부터 광섬유(12b)내로 완전히 결합하게 한다. 물론,이 예에서 결합하지 않는다는 것은, 예를 들어, 지역(32)에서의 유효 상호 작용 길이가 1.06미크론에서 결합 길이의 2배가 되면, 증폭될 신호는 한번은 광섬유(12b)로부터 광학 섬유(12a)로, 또 한번은 광섬유(12a)로부터 광섬유(12b)로 두번 완전히 결합되도록 짝수 완전 결합 횟수를 의미한다. 제9도의 좌측에 도시한 바와 같이, 이 신호가 포트 C에서 결합기로 들어가면, 이 신호는 포트 D에서 비결합되어 배출된다. 그리나, 포트 D에서, 이 증폭될 신호는 펌핑 조명원(42)로부터의 광선과 함께 공존하는데, 이 광선은 광섬유(12)로부터 광섬유(12)로 완전히 결합된다.
펌핑 조명원(42)로부터의 광선은, 결합 후, 광섬유(12b)를 따라 이동되므로, 이 펌핑 조명은 ND : YAG결정(44)내의 네오디뮴 이온을 반전시킨다. 그러므로, 포트 C에서 유입되어 포트 D로부터 비결합되어 배출되는 신호는 이 신호가 결정(44)를 통과할 때 이이 기술한 방법으로 증폭되는데, 그 이유는 이 신호가 결정(44)의 ND : YAG 물질의 자발적인 레이징 감쇠를 여기시키기 때문인데, 이 레이징 감쇠는 증폭될 신호와 간섭하는 광선을 제공한다.
그러므로, 본 발명의 증폭기는 ND : YAG 결정(44)에 파장 의존 결합하지만 증폭될 신호가 광섬유(12b)로부터 광섬유(12a)로 결합하지 못하게 함으로써 펌핑 조명원(42)로부터 펌핑 조명을 이동시키기 위한 편리한 장치를 제공한다. 본 발명내에서 달성된 결론들은 펌핑 조명 파장에서의 결합 효율이 0%이지만 광선신호 파장에서의 결합 효율이 100%인 결합기가 사용될 수 있게 한다. 이 경우에, 펌핑 조명원은 결합기(10)의 포트 C에 결합되지만 증폭될 입력 광신호는 포트 A에 결합된다.
쌍방향성 대칭
대칭적으로 쌍방향성인 증폭기를 제조하기 위해서는, 제12도에 도시한 바와 같이 한쌍의 멀티플렉싱 결합기(50 및 52)와 함께 한쌍의 펌핑 조명원(42 및 48)은 사용해야 한다. 이러한 쌍방향성 대칭성이 필요없는 경우에, 펌핑 조명원(50 및 52)는 ND : YAG 결정(44)의 한 단부에서 이온들을 반전시키므로 결정(44)내에서 두방향 중의 어느 한 방향으로 이동된 신호에 대한 이득을 발생시킨다.
펌핑 조명원(42 및 48)중의 한 조명원만이 사용되면, ND : YAG 결정(44)는 균일하게 조명되지 않는다는 것을 알아야 한다. 그러므로, 반전된 네오디뮴 이온군은 결정(44)의 길이를 따라 균일하게 분배되지 못한다. 증폭기내의 이 불균열 또는 비대칭 상태가 광섬유(56)에 입력된 신호들에 대한 이득과는 다른 광섬유(54)에 입력된 신호들에 대한 이득을 발생시킬 수 있기 때문에(득히, 이 신호들이 동시에 생길 때), 조명원(42 및 48)쌍을 사용하는 것이 유리하다.
네오디뮴 이온들의 비대칭 반전군과 다른 방향으로 광섬유 결정(44)를 통과하는 신호들에 대한 상이한 이득의 현상은 다음과 같이 나타난다. 증폭될 신호가 제12도의 결정(44)내의 좌측으로부터 우측으로 전달될때, 이 신호는 ND : YAG 결정(44)내의 유도 광자들의 방출을 트리거시킨다. 물론, 이러한 트리거링 방출은 결정(44)내의 반전군을 저하시킨다. 예를 들어, 자이로스코프에서, 한쌍의 파들이 반대 방향으로 결정(44)를 통해 동시에 전달되면, 제12도에 도시한 바와 같이, 우측 단부에 입력된 신호가 결정(44)의 좌측 단부에 도달하기 전에, 좌측 단부에 입력된 신호는 이 단부에 인접한 반전군을 감소시킨다. 반전군이 펌핑 조명원(42)만이 사용된 경우와 같이 결정(44)의 우측 단부에서 보다 좌측 단부에서 더 높으면, 좌측에 입력된신호는 더 크게 증폭되는데, 그 이유는 이 신호가 우측 단부에 입력되는 신호가 고밀도 좌측 단부에 도달하기전에 반전군을 감소시키기 때문이다.
펌핑 조명원(42 및 48)에 의해 공급된 펌핑 조명은, 연속 기준치에 기초하여 신호가 증폭될 때 생기는 결정(44)내의 감소된 반전군을 대체시키기에 충분해야 한다. 그러므로, 예를 들어, 펄스 신호가 1km의 광섬유를 통해 순환되는 자이로스코프내에서 역전달 신호는 약 5μsec에 한번 씩 제12도에 도시한 증폭기를 통과한다. 연속 펌핑 조명원(42 및 48)이 사용되면, 이 펌핑 조명원들은 각각의 5μsec 주기 동안 이 펌핑 조명원들이 감쇠된 반전군과 동일한 반전군을 재반전시키기 위해 신호들이 각각 연속적으로 통과하는 동안 감쇠되는 네오디뮴 이온군을 재반전시킬 수 있도록 충분한 출력을 제공해야 하므로, 증폭기의 증폭율 μ 또는이득이 비교적 일정하게 유지된다.
상술한 설명으로부터 알 수 있는 바와 같이, 광섬유 간격 및 곡률 반경은 적당히 선택하면, 펌핑 조명원(42 및 48)이 결정(44)를 조명하게 하고 이 조명이 네오디뮴 이온군을 반전시키게 하는 결합기가 만들어진다. 결합기 파라메터들을 양호하게 선택함으로써, 증폭될 신호는 광섬유(54 및 56)으로부터 결합되지 않으므로, 증폭될 신호와 간섭하는 광선을 발생시키는 결정(44)내의 네오디뮴 이온의 감쇠를 여기시킴으로써 증폭되도록 결정(44)를 통과한다.
신호 유입
제13도를 참조하면, 펌핑 조명원(42)가 ND : YAG 결정(44)를 조명하고 신호들을 재순환 광섬유 시스템내로 재순환시키도록 한쌍의 결합기(58 및 60)의 멀티플렉싱 특성이 사용되는 시스템 배열이 도시되어 있다. 예를 들어, 이 경우에는, 광섬유 단부(62 및 64)가 재순환 광섬유 루프의 일부분이고, 펌핑 조명을 결정(44)에 공급하는 것 이외에 이 루프내에서 순환되는 신호들을 중폭하기 위해 이 시스템은 신호들을 루프내로 유입시키기 위해 제공해야 한다고 가정될 수 있다.
제13도에 도시한 시스템내에서, 결합기(58)은 조명원(42)로부터의 광선 파장율 100%의 결합 효율로 결합시키지만 입력 광섬유(66)에서의 입력 신호가 효율적으로 비결합 상태로 남도록 배열된다. 이것은 조명원(42)로부터의 펌핑 조명과 광섬유(66)으로부터의 입력 신호를 포함하는 광섬유 세그먼트(68)상의 결합 신호를 발생시킨다. 결합기(60)의 특성들이 상술한 방법으로 적당히 선택되고, 이 결합기(60)이 적당히 동조되면, 이 결합기(60)은 펌핑 조명원(42)로부터의 광선 파장의 100%를 결합시키지만 광섬유 세그먼트(68)로부터의 신호 입력에서의 파장의 1%만을 결합시키도록 배열될 수 있다 그러므로, 광섬유 세그먼트(66)으로부터의 입력 신호의 1%는 광섬유 재순환 루프내로 유입되어 최초로 재순환하기 위해 결정(44)를 통해 광섬유세그먼트(64)로 전송된다. 동시에, 조명원(42)로부터의 펌핑 조명의 100%는 재순환 신호를 증폭하기 위해결정(44)의 단부내로 유입된다.
이 재순환 신호가 광섬유 세그먼트(62)에서 나타나면, 이 신호의 1%만이 결합기(60)에서 손실되는데, 이1%는 재순환 광선을 감지하기 위해 감지기(70)용의 출력을 공급할 수 있다. 재순환 광신호의 나머지 99%는 광섬유 루프내에서 재증폭 및 재순환하기 위해 결합기(60)으로부터 결정(44)내로 유입된다. 그러므로, 2개의 결합기(58 및 60)을 사용하는 이 시스템은 광섬유 루프내에서 순환하는 광선을 계속 감지하고, 신호를루프내로 유입시키며, 결정(44)를 증폭시키기 위해 계속 펌핑시킨다 상기에 제공한 결합 효율은 예시적인것이지만, 결합기(60)의 결합 효율은 결정(44)에서의 신호에 부가된 증폭 부분보다 작은 소형 부분만이 결합기(60)에 의해 재순환 신호로부터 공제되도록 루프내로 전달되는 신호의 파장에서 비교적 낮게 유지되어야 한다. .

Claims (13)

  1. 레이저 광선을 발하는 물질로 도프된 광섬유(44), 레이저 광선을 발하는 물질의 레이징 주파수에서의 신호원, 레이저 광선을 발하는 물질을 펌핑하기 위한 펌프 광원, 한 단부가 상기 도프된 광섬유(44)의 한단부에 결합되는 광섬유(12b,54,62)및 상기 신호들과 상기 펌프 광선을 상기 광섬유(12b,54,62)상에 결합시키기 위한 수단(10b,50,60)으로 구성된 것을 특징으로 하는 광섬유 증폭기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 결합 수단(10b,50,60)이 광학 결합기로 구성된 것을 특징으로 하는 광섬유증폭기.
  3. 제2항에 있어서, 상기 광학 결합기가 단일 모드 광학 결합기로 구성된 것을 특징으로 하는 광섬유증폭기.
  4. 제2항에 있어서, 상기 광학 결합기가 미소 지역 결합에 이용되는 것을 특징으로 하는 광섬유 증폭기.
  5. 제2항에 있어서, 상기 광학결합기가 파장에 따라 변하는 결합 효율을 갖고 있고, 상기 신호와 상기 펌프 광선의 파장이 서로 상이하므로, 상기 신호 및 상기펌프 광선에 대한 상이한 결합 효율을 발생시키는 것을 특징으로 하는 광섬유 증폭기.
  6. 제1항에 있어서, 상기 광섬유(44)를 도프하는 상기 물질이 상기 신호들의 주파수에서 레이저 전이상태를 유지하는 것을 특징으로 하는 광섬유 증폭기.
  7. 제5항에 있어서, 상기 신호 및 상기 펌프 광선이 제1및 제2입력 광섬유내로 각각 전송되고, 상기광섬유 결합기가 상기 펌프 광선 및 상기 신호중의 하나의 파장에서 상기 광섬유의 결합 길이의 짝수배이고 상기 펌프 광선 및 상기 신호중의 다른 하나의 파장에서 상기 광섬유의 결합 길이의 홀수배인 유효 상호 작용 길이를 갖고 있는 상호 작용 지역을 제공하도록 상기 제1 및 제2입력 광신호와 나란히 배치되는 것을 특징으로 하는 광섬유 증폭기.
  8. 제7항에 있어서, 상기 입력 광섬유 쌍이 상기 결합기를 상기 신호 및 상기 펌프 광선의 파장에 동조시키도록 상기 상호 작용 지역에서 서로 측방향으로 편기되는 것을 특징으로 하는 광섬유 증폭기.
  9. 제8항에 있어서, 상기 입력 광섬유 쌍이 아치형이고, 상기 아치형 광섬유의 반경이 상기 펌프 광선과 상기 신호 사이의 파장의 차에 따라 선택되는 것을 특징으로 하는 광섬유 증폭기.
  10. 제1항에 있어서, 상기 광섬유(12b,54,62)가 상기 펌프 광선의 파장에서 상기 결정 물질의 흡수 길이보다 작은 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 광섬유 증폭기.
  11. 광신호 증폭 방법에 있어서, 상기 광신호 및 펌핑 조명을 단일 광섬유(12b,50,60)상에 결합시키는 단계 및 상기 펌핑 조명으로 펌프될 때 상기 광신호의 주파수에서 유도 방사선을 방출시키는 물질로 도프된 광섬유(44)의 한 단부에, 상기 단일 광섬유의 한 단부를, 결합시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 결합 단계가 파장에 따라 변하는 결합 효율을 갖고 있는 광학 결합기(10b,50,60)내에서 상기 광신호 및 상기 펌핑 조명을 멀티플렉싱하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 멀티플렉싱 단계가 한쌍의 광섬유 사이에서 결합하도록 한쌍의 광섬유를 나란히 배치시키는 단계 및 상기 광신호를 상기 광섬유들 중 한 섬유에 인가시키고 상기 펌핑 조명을 상기 광섬유들 중 다른 광섬유에 인가시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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